基于新能源發電風力發電技術的探討

高敏

摘 要：目前，環境和能源是世界各國所迫切需要解決的問題，開發清潔型的能源、實行可持續發展戰略是世界各國解決能源問題及優化能源結構的正確選擇。風能是一種普遍的清潔型能源，儲量巨大，世界各國對此都比較重視。經過多年的努力，世界風力發電技術越來越成熟，風力發電機組裝機容量越來越大，從定槳距控制到變槳距控制，從恒速恒頻到變速恒頻，從陸地到海上，風力發電正以前所未有的速度發展，因此對風力發電技術的研究越為顯得必要。

關鍵詞：新能源；發電；特性

中圖分類號：TM61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0137-02

Abstract： At present， environment and energy are the urgent problems to be solved all over the world. Developing clean energy and carrying out sustainable development strategy are the correct choices to solve the energy problem and optimize the energy structure of all countries in the world. Wind energy is a kind of universal clean energy with huge reserves， which has been paid more attention all over the world. After years of efforts， wind power generation technology in the world has become more and more mature， and the installed capacity of wind turbines has become larger and larger， ranging from fixed pitch control to variable pitch control， from constant speed constant frequency to variable speed constant frequency and from land to sea， wind power generation is developing at an unprecedented speed， so the research of wind power generation technology is more and more necessary.

Keywords： new energy； power generation； characteristics

引言

當今世界，能源對促進整個社會的發展有著不可替代的作用，但是隨著常規化學能源如煤、石油、天然氣會慚慚的耗竭，迫切需要一種可再生的新型能源來代替。因此，對可再生能源的開發利用受到世界各國的高度重視。目前，風能相對技術發展比較開闊，比較成熟，如何大力發展新型的再生風能能源，是大多學者研究的一大課題。

風力發電是將風能轉換為機械能并將機械能轉換為電能的過程。風力渦輪機及其控制系統將風能轉換為機械能發電機及其控制系統，并將機械能轉換為電能。作為風力發電系統的重要組成部分，風力渦輪機直接影響整個風力發電系統的性能和效率。風力發電機變槳距功率控制技術和發電機變速恒頻發電技術是風力發電的兩項先進技術和未來風力發電技術的發展趨勢。

1 風力機的功率調節技術

風力機的功率調節是風力發電系統的關鍵控制技術之一。在超過額定風速后，由于部件的機械強度、發電機的容量和電力電子設備的容量等性能的限制，必須減少風力機的風能捕獲，使其功率保持在額定值附近，使整個風力機不受到損害。目前運行中的風力機對功率的調節方式主要有定槳距失速調節、變槳距調節和主動失速調節三種方式。

1.1 定槳距失速控制

通過固定螺距風機葉片與輪轂固定連接，結構簡單，性能可靠，但葉片頂角不能根據風速變化進行調整。這種風力渦輪機完全依賴于葉片的空氣動力學，使得風力渦輪機的輸出功率隨風速而變化。難以確保在標稱風速下的風能利用率高，特別是在低標稱風速下。

1.2 變槳距調節

為了盡可能提高風能轉換效率，并保證風力機輸出功率平穩，需增加槳距角控制系統，這樣就構成變槳距風力機。變槳距風力機的功率調節依靠葉片固有的氣動特性，通過對葉片槳距角的調節來實現。

1.3 主動失速調節

主動失速調節是采用葉片主動失速以保證功率調節的簡單可靠的。風速低于額定風速時，控制系統根據風速分幾級控制，控制精度低于變槳距控制；當風速超過額定風速后，變槳系統通過增加葉片攻角，使葉片“失速”，限制風輪吸收功率增加。這一點與定槳風機的失速調節類似，稱為“主動失速”。

2 風力機的特性和模型

風力機的特性是研究空氣流作用給風力機的氣動力的特性。風力機的氣動模型的研究方法有激盤理論和葉素理論等。激盤理論是通過簡單的理論來解釋風能的提取過程，同時也可以通過它來推導風能轉換效率的理論最大值。葉素理論主要研究葉片基元上的空氣流產生的氣動力。

激盤模型：

激盤模型的根基是動量定理。風力機可以看作是一種激盤，主要作用是提取風能。因為激盤在空氣流中時，可以把激盤看成是不可壓縮的（見圖1）。由圖1可以看出，當空氣流流過時，通過激盤可獲得一部分風能，使得上游風速V大于下游風速V-∞。因此，截面積AD比截面積A∞大，又比截面積A-∞小。

這是因為根據定義管道內各處的質量流量必須相同。

從上圖我們可以看出，通過激盤的氣流速度會降低，速度變為V-V-∞。通過這樣的方法使得入射到激盤的氣流而產生的氣動力FD，為整個質量流量速度下降的倍數。其計算公式為：

通常，流入激盤的氣流速度為：

式中，a定義為軸向的氣流的干擾系數。氣動力FD由激盤而引入的壓降，即：

另外，伯努利方程用來獲取穿過激盤的氣壓降。伯努利方程表明，在穩定的狀態下，假設沒有流體動力，那么氣流總能量是保持不變的。這個方程適用于上游與下游，因為上游與下游只對激盤做功而沒有對流體做功。

式中，g為重力；p0為大氣壓力，同時，可以認為氣流是水平流動。通過這兩個方程可以得到：

將上式帶入上中得到：

V-∞=（1-2a）V

上式表明動量定理適用的上限為a=5。這樣我們可從公式中看出，當a值越大，V-∞變為負值，但這顯然是不可能的。一半的速度降出現在激盤的上游，而另一半的速度降出現在下游。

利用上式可得氣流流過激盤所產生的氣動力為：

接下來，激盤從風中提取的風能為：

通常將風能的利用系數來做為判斷風力機的捕獲風能的能力，將風能的利用系數可以定義為風力機的捕獲的風能與經過風力機的風能之比，即：

而風能公式為：

進一步可以得到風能利用系數為：

3 籠型感應發電機原理

籠型感應風力發電機組系統是由風輪機、齒輪箱、感應發電機和PWM變流器、變壓器等組成。因為風速具有隨機性而且是變化是沒有規律的，為了能夠實現最大風能的捕獲，當風力機運行在額定風速以下啟動風速以上時，需要通過對發電機轉矩的調整，達到最大風能的捕獲。對于發電機轉矩的控制有：直接轉矩控制、轉速控制和基于功率的轉矩控制三種。從籠型感應式風力發電機的基本原理圖中，我們知道可以將整個系統的控制分為機側變換器控制和網側變換器控制兩個部分。對于機側變換器需要控制發電機的轉速，對于網側變換器需要控制直流側的電壓，讓其保持恒定，同時還需要控制功率因素和有功功率的傳輸，這樣就完成了風力發電機組中各個階段的運行。

4 風能接入對系統影響

風能資源是清潔的可再生能源，在中國大力發展可再生能源政策的引導下，風力發電技術迅速發展。但是風電能隨機性、間歇性和反調峰特性給系統的安全穩定運行帶來挑戰，另一方面可能導致常規機組偏離最佳運行區，增加系統成本。所以許多學者對有功功率進行控制，改善風電場并網對電力系統的影響，正成為新的研究熱點，引起人們的廣泛關注。

結合目前的運行經驗表明：風電系統的接入，對電網的穩定性的影響主要有電網頻率的影響，對電能質量的影響，以及對系統備用容量的影響。對風電進行有功控制，可以在現有的網架結構、電源結構、負荷特性、風電預測水平、風機制造技術水平條件下，提高電網接納風電能力，保證電網的安全穩定運行。隨著風電在電網中的比例不斷提高， 大型風電場實現可控運行是風電并網運行的發展的必然趨勢。如何進行有效的優化設計，如何可以有效的實現同步并網運行，是未來對風電場的有功功率控制策略，提高風電場的穿透功率一種迫切需要。

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